黄 河 作 证
―水利水电系治黄工程概述
清华大学水电系助理研究员 李爱兰
清华大学水电系研究员 翟大潜
黄河是我国的母亲河，涛涛黄河水滋润哺育了两岸人民，造就了灿烂的中华文明；但汹涌的黄河水也曾给中华民族带来深重灾难，洪水泛滥淹地千里。为了兴利除害，我国历代统治者都不得不重视黄河的治理。从某种意义上说，黄河流域的发展史也是一部人民与黄河水患作斗争的历史。解放后，党和政府非常重视黄河的治理，实施了大规模的治黄工程。1952年毛主席发出“要把黄河的事情办好”的号召，按照黄河流域规划，在黄河干流上先后修建了三门峡、刘家峡、龙羊峡、小浪底等大型水利枢纽工程，开展了流域内水土保持，几次加固了黄河下游的堤防，解放后50多年来伏秋大汛没有发生堤防决口灾害，人民治黄事业取得了辉煌成果。清华大学水利水电工程系从50年代开始参与治理黄河工作，60年代后期起有近10年时间全系大部分教职工还移师河南三门峡，开展黄河中上游小流域治理、下游防洪防凌、三门峡工程改建和黄河泥沙运动规律等的研究，50年来，黄河流域的山山水水都留下了水利水电系师生的足迹，为治黄做出了应有的贡献。
一、人民胜利渠渠首闸工程修建
1950年我国一面防范黄河洪水，一面提出要引黄灌溉兴利。当时黄河两岸到处是盐碱沙荒地，老百姓生活非常贫困，不但连窝头都没得吃，连白薯干也吃不饱，他们十分期盼能有幸福生活，但听说要扒开黄河大堤建闸引水个个都摇头反对，“躲还躲不及，你们还要引祸上身”。
张光斗教授接受黄河水利委员会的委托，对地处河南的人民胜利渠的设计提出建议。他建议把渠首闸定在河势相对稳定的秦厂凹岸一侧，保证了泥沙基本不淤，可以长年引水。他建议用钢板桩将闸基下的沙层团团围住，既保证了防渗稳定的要求，又能防止砂层液化，并提高地基承载力。大堤有10多米高，闸室边墙上受到的土压力极大，且会造成地基反力不均匀，边墙可能发生倾斜、沉陷，引起失事。按张教授建议，两侧边墙用一系列短柱对撑，水平土压力互相抵消。52届水利组学生还前往现场帮助工地设计、施工。经过半年多努力，渠首闸基本建成，引水50秒立米，灌溉几十万亩土地。两年后，人民胜利渠提出扩建，水利系又为他们做模型试验和设计，使引水量增加到90秒立米，灌溉面积逾百万亩，成为黄河下游第一个大型灌溉区，当地面貌大为改观。全国先进农业单位，就是在人民胜利渠灌区内的刘庄公社。今日刘庄更是富裕文明。
人民胜利渠的修建取得了极大的成功，开创了很好的经验，后来黄河下游两岸修建了大批的引黄灌溉系统，总引水能力超过2500秒立米，黄河两岸盐碱沙荒的旧日悲惨境遇一去不再复返。
二、三门峡枢纽工程改建
50年代初，我国就开始治理黄河，提出黄河流域规划报告，其中第一项关键工程是在河南修建三门峡水利枢纽。当时请苏联专家作为顾问，由前苏联列宁格勒水电设计院负责设计。他们对中国黄河的泥沙问题了解不深，也不愿听取中国专家的建议。清华大学水利系黄万里教授就多次尖锐地指出，三门峡修建高坝大库这种做法是违背泥沙自然运动的规律的，不能把泥沙全拦在库内。
大坝蓄水后第一年泥沙淤积极为严重，三门峡上游 113 公里处的潼关河床淤高3~4m，相应的泾、洛、渭等支流都淤高，关中平原危急。不得已国务院召开上、中、下游协调会，决定改建三门峡工程，打开已被封闭的三门峡大坝中的导流底孔，减少装机，加建两条泄洪洞，改用蓄清排浑运行模式。
但要打开8个导流底孔，对大坝受力有何影响人们顾虑重重，清华大学水利系接受委托，承担此项研究任务。陈兴华、刘光廷等教师用光弹试验及现场应力释放等办法了解孔洞周围应力分布情况，证明由于做了较好的横缝灌浆，顶拱底板中没有太大的拉应力，原配孔口钢筋可以保证底孔不发生问题，因而可以打开底孔；刘光廷等还亲身参加了打开导流底孔的设计和施工，使这一项改建工作得以顺利实现。改建后的三门峡水库运行良好，是保障下游防汛安全的一道重要屏障。
三、东平湖分洪区石洼闸、林辛闸的改建
1967黄河山东河务局建造了石洼闸、林辛闸等进出水闸，形成了东平湖分洪区，这两座闸是黄河上第一批建在灌注桩上的大型水闸。但是黄河每年平均淤高11厘米，20年内将淤高2.2米，30年内淤高3.3米，这些闸所承受的水推力将成倍增加，分洪流量将增大，消力池也将不堪重负，因此必须加以改建。1974年清华大学水利系教学小分队承担了这项艰巨的任务，到现场去结合教学，参加设计与施工任务。
小分队由73届工农兵学员组成，共约80人，教师有曾昭扬、谷兆祺等10余人。全队师生到达现场后在山东河务局位山工程局配合下，收集资料，了解原建结构，研究了灌注桩群桩承担垂直与水平推力的性能，研究了建成后的观测资料，提出改建方案，其特点是：
（1）尽量利用原有结构，少破坏原有结构，每一闸孔在原有9根灌注桩的基础上增加10根灌注桩，在原有底板上浇注新底板，把各桩连成整体。这是一个非常大胆的创造。同时原有进水闸上所有构件重新安排在新闸上，49孔闸数目不变，跨度不变，增加新的公路桥及铁路桥（防汛用小火车道）。
（2）修建二道坎，形成二级消力池，以解决新条件下的消能问题。
（3）建造新的上游铺盖，延长渗径，并增设阻滑板，保证新闸渗透稳定及抗滑稳定。
（4）49孔闸，每孔设一固定式启闭机，使操作灵活，可以成组的同时启门，减轻消能负担。
（5）原有露顶平板门，孔口尺寸减小，变成潜孔平板门，门上部用胸墙挡水，以保证分洪流量符合设计要求。
在设计过程中，还做了整体水工模型试验、原有闸门轮压试验、淤积泥沙土压力试验及提门力试验。验证了消能设计的可靠安全性。不但证明了原有49扇闸门的承重轮子在负荷倍增的情况下仍能正常使用，而且掌握了轮子在特大负荷下的滚动摩擦系数的大小。试验还求出闸前淤积后土压力的大小，以及闸门启门力将增加到多少吨。这些科学试验不仅使设计工作有可靠的依据，而且使尽量利用原有部件成为可能，不仅节约了大量资金而且缩短了工期，使一年之内改建成功成为可能。石洼闸设计完成后，曾昭扬、谷兆祺老师带领几名学员，在工地参与施工，直到基本完工。这一座大型分洪闸分洪流量可达6000秒立米，是保障黄河下游大堤不溃决的最后一道屏障。它的总造价只及新建的同类分洪闸的1/3。次年附近的林辛闸也用同样的图纸改建。1983年黄河发生洪水，石洼闸分洪成功，水电部授予该工程优秀工程奖，1984年国家建委授予该工程优秀工程银奖。
四、小浪底工程建设
80年代国家决定建造小浪底水库工程，水利系张光斗院士等大批教师参与咨询、审查、科研工作，从枢纽布置、大坝设计、基础处理、泥沙运作、泄洪布置、电站布置、地下工程设计等等方面提出了许多重要意见，做了一系列的科研及试验。
设计单位原打算建造地面厂房，把厂房放在高边坡下面，边坡顶上还要布置极其巨大的调压井。高边坡的岩性很差，而且有多层倾向下游的软弱夹泥层，抗剪强度极低，长期的稳定性很差。谷兆祺等师生利用毕业设计为黄河水利委员会做比较方案，建议他们把厂房布置在岩性较好的T3、T4砂岩中，做成地下厂房。设计单位开始担心地下厂房难做，打算在T5、T6岩层中明挖做半地下厂房。T5、T6岩石仍较差，在此做半地下厂房稳定性仍难保证，且有许多不利之处。最后设计单位同意把厂房做在T3、T4砂岩中。谷兆祺、彭守拙等许多师生为黄河水利委员会作了多次粘弹塑性层状岩体中非线性有限元分析，拟定支护方式、开挖次序，决定用喷锚支护、系统锚索代替常规钢筋混凝土衬砌，用岩壁吊车梁代替常规梁柱式吊车系统，不仅节省大量投资，加快了进度，而且缩小了地下开挖尺寸，增进了地下厂房围岩稳定性，同时还取消了大直径的调压井。90年代初，这一跨度26米，长25.2米，高61.4米的巨型厂房顺利完成施工。监测系统表明，各处变形在允许范围内，起重量达2´500吨的岩壁吊车梁（是目前世界上起重量最大的岩壁吊车梁）工作正常，1999年第一台机组顺利发电。
小浪底工程有3条大直径的导流洞，后期要把它们改建为泄洪洞。为了消除该洞群的巨大能量，设计单位准备把它们改建成孔板洞，让高速高能量水流在洞中多次突然收缩和放大，以消刹多余的能量，清华大学水利系才君眉等教师接受了这一研究任务，用模型试验探索各级孔板洞最优尺寸、流态、流速、消能效率等情况，并参加在白龙江碧口电站孔板洞的中间试验，最后提出方案，供设计单位参考采用。另外王光纶、彭守拙教授等接受了泄洪洞地下弧形门启闭室的三维应力分析课题。这也是一座巨大的地下洞室工程，所受闸门推力将近万吨，结构形状又特别复杂。他们作了详细的非线性应力变形分析，提出构造与配筋要求，为黄河水利委员会的设计提供了有力的依据。
